控压钻井节流阀液-固两相流冲蚀预测及验证

运用欧拉-拉格朗日法和离散相模型,预测了节流阀内部粒子运动和分布规律,利用半经验冲蚀模型求解了颗粒对阀芯的冲蚀率,并设计相关实验验证了数值模拟的准确性。结果表明,数值模拟能够较为精确地预测节流阀阀芯的冲蚀轮廓;5 h以内的预测冲蚀损失量与实验数据贴合度很高,5 h以后的预测数据经合理修正后与实验结果相近,随冲蚀时间增长,预测误差逐渐减小,最终达到1% 以下;该模型能够用于预测控压钻井节流阀复杂流场的冲蚀,有望为控压钻井节流阀的进一步优化设计提供参考。     

钻井用节流阀抗冲蚀性能的实验评价

发生井喷事故时主要依靠节流阀来控制井内流体的流速,因而要求其具有较强的抗冲蚀能力,但目前的节流阀抗冲蚀能力评价大多都停留在有限元分析或流体流场模拟计算阶段,无实测数据,未进行定性、定量评价,给选型和使用都带来了较大的困难。为此,采取远程控制阀开启度调整实验压力和流体流速、氮气注入压力略高于实验压力来保证气体有效混入形成三相流体的实验思路,闭环模拟了不同流速、不同流体组分、不同压力条件下的井喷对孔板、圆柱和楔形3种节流阀的冲蚀情况。实验结果表明:①抗冲蚀能力依次为圆柱节流阀>楔形节流阀>孔板节流阀;②在实验压力范围内,楔形节流阀阀芯出现轻微蚀痕,下游短节发生单边冲蚀,抗冲蚀能力较弱;③当孔板节流阀开度约1/8时,实验泵压多次跌落回4 MPa,其阀芯后端受到严重冲蚀。进而依据实验结果,提出了改变楔形节流阀阀芯形状、优选材质、在孔板节流阀的阀芯侧面增加密封件等改进思路。结论认为,所形成的三相流体抗冲蚀评价方法可应用于类似结构节流阀的评价。     

气井针型节流阀失效因素模拟分析

在气井中可调针型阀节流时常因高压高速及含砂出现阀杆脱落断裂、针阀冲蚀、水合物冰堵等失效现象,影响测试和生产地面流程安全。利用Fluent数值模拟,建立针型节流阀数值模型,通过模拟计算,得到节流前后速度、压力、温度流场,认识针型节流阀节流规律;分析水合物冰堵潜在成因,认为温度最低部位在锥形油嘴芯后半部分;分析阀杆受力情况,得到阀杆脱落原因主要在于对阀杆及阀芯的直接冲击、进入节流段前绕流引起的横向振动、进入节流段后锥面上漩涡脱落引起的横向和纵向振动;结合冲蚀离散模型计算,得到针阀冲蚀速率分布规律,冲蚀部位主要为针形阀芯中部及阀座突缩处。模拟计算得到的冲蚀损伤部位与实际损伤部位较符合。该分析适用于类似流场和冲蚀速率分布规律研究。     

控压钻井中节流阀开度与节流压力的关系研究

采用试验的方法对节流阀开度大小和节流压力关系进行研究须选取大量参数重复试验,工作量大、耗费人力物力多。为此,建立了锥形节流阀的Fluent数值模拟模型,模拟计算了不同黏度、密度和开度等参数组合下的节流压力,分析了不同参数组合下节流压力的变化规律,建立了包含密度、排量和开度的3参数节流压力函数模型。基于计算压力和实测压力曲线形状相似的事实,提出了基于数值模拟和试验数据平移修正的节流阀开度与节流压力函数关系确立的方法,并用该方法确定了1组待定参数下的节流阀开度与节流压力的函数关系模型。节流阀开度与节流压力关系验证表明,实测压力与计算压力曲线形状大致相同,存在曲线平移的基础,最大相对误差为9%。上述数值模拟和试验数据平移修正的方法,可以用于其他类型节流阀开度与节流压力关系的建立。     

节流阀冲蚀性能仿真分析与试验研究

为研究节流阀在实施压井节流时的可靠性和耐冲蚀性能,采用有限元仿真分析和试验相结合的方法,对新型筒式节流阀、楔形节流阀和孔板节流阀的冲蚀性能进行了对比研究。研究结果表明,泥浆密度1.8 g/cm~3,冲蚀时间8 h。新型筒式节流阀相对于楔形节流阀、孔板节流阀具有更好的抗冲蚀能力、可靠性高,能够满足井控工艺的要求。     

笼套式节流阀冲蚀磨损计算研究

针对笼套式节流阀的冲蚀磨损难以计算的问题,提出利用节流阀实际工作时的流量系数变化的方法来计算和比较现场各种节流阀的耐冲蚀磨损性能。应用某气田现场A、B、C 3种节流阀在现场初期的工作数据计算了其初期冲蚀磨损情况,并利用流场分析,通过对各类节流阀过流孔入口周围的速度和入射角对比,验证了该方法的可靠性。应用节流阀整个使用期内的工作数据计算得出了3种笼套式节流阀的平均冲蚀磨损性能指标。结果表明,A类节流阀冲蚀最严重,B类次之,C类耐冲蚀磨损性能最稳定,与现场使用情况相符。     

大导流面柱塞型节流阀冲蚀规律研究

为了探究柱塞型节流阀在节流过程中因受到高速颗粒冲击和流体冲蚀而导致节流阀失效的问题,以PCG,2-9/16×15M型节流阀为研究对象,采用欧拉-拉格朗日法和离散模型,研究了不同开度、质量流量、流体速度及颗粒直径对阀座和阀芯的冲蚀规律。研究结果表明：随着开度的减小,节流阀主要冲蚀区域从阀体内腔节流处转为导流面节流处;在不同开度下,随着流速的增加,最大冲蚀率统一呈现上升趋势,并随着开度的增加,上升趋势更加明显;随着颗粒直径的增加,最大冲蚀率呈现上升趋势;随着质量流量的增加,最大冲蚀率不稳定,大体呈现上升趋势;节流阀通常在小开度下工作,小开度的不同工况下,节流阀最大冲蚀位置都处在节流阀阀芯上,将节流口处改为阶梯形结构,通过仿真结果对比,可有效降低节流阀最大冲蚀率。研究结果可为节流阀的进一步优化设计提供参考。     

楔形节流阀冲蚀磨损规律研究

为了明确楔形节流阀冲蚀磨损规律,降低其工作过程中的冲蚀磨损速率,为现场施工提供开度-压降关系的理论依据,基于伯努利方程确定了楔形节流阀开度与节流速度、节流压降的关系曲线。运用两相流计算流体动力学,建立了流体携岩冲蚀楔形节流阀的CFD仿真模型,研究了楔形节流阀开度与冲蚀速率的关系。结果表明,节流阀开度小于40%时,节流压降和节流平均速度较大;开度大于60%时,节流压降和节流平均速度较小且与开度呈近似线性关系;楔形节流阀最大冲蚀磨损位于阀芯楔形面顶部和轴向导流面中间,同时对下游短节内壁面外侧造成强烈冲蚀;阀芯开度小于23%时,冲蚀速率较大且随阀芯开度减小迅速递增;阀芯开度大于23%时,冲蚀速率非常小且与开度呈近似线性关系。研究结果为降低楔形节流阀冲蚀磨损提供了理论依据。     

基于Fluent的锥形节流阀流场数值模拟

针对高压锥形节流阀冲蚀和气蚀失效严重的问题,利用Fluent软件对实际使用中的锥形节流阀内流场分布进行仿真计算,揭示了节流阀冲蚀和气蚀失效的原因,并提出一些减缓失效的方法和使用时的注意事项。分析结果为节流阀的设计和性能优化提供一定的理论依据。     

基于FLUENT的输油管道弯头冲蚀模拟分析与防控措施研究

针对输油管道弯头冲蚀失效的问题,依据现场实际工况,利用FLUENT模拟软件建立相应的物理模型,再将模型应用到输油管道弯头的固液两相流冲蚀规律研究中.数值模拟结果表明:随着集输压力和颗粒直径的增大,弯头的冲蚀率逐渐减小;随着进口流速的增加,弯头的冲蚀率逐渐增大.通过对输油管道弯头冲蚀规律的研究,在管道弯头运行过程中采取相...     

井控节流阀冲蚀机理及结构优化

节流阀是钻井井控管汇中的关键设备，它是否正常工作直接关系到压井的成败。为此，采用现代分析软件ANSYS对井控装置中的井控节流阀进行了流场分析，根据节流阀流场的特点，定性地研究了楔形节流阀现场使用中容易产生冲蚀的原因。对现有节流阀的结构进行了优化设计，即将楔形节流阀的平面改为弧面；在阀心上部仍采用楔形平面，但在阀心末端留一段平面使其平行于壳体的中轴线，楔形面与平面间采用圆弧过渡，保证流体出流方向不指向壳体，避免了流体对壳体壁的冲蚀。同时，阀心上端部的直线段满足了对压降的线性调节要求，更适合现场使用。     

新型双层笼套式节流阀分析

为提高节流阀的节流效果,提出了一种新型双层笼套式节流阀。该节流阀由2个开有小孔的笼套同轴线地嵌套在一起,在1个节流阀内有2个节流元件,可对流体进行2次节流,从而起到2次节流的作用。探讨了笼套上小孔轴线重合和小孔轴线成45°角的2种不同结构的节流阀的节流情况,并分别对2种结构的节流阀进行了流场仿真分析,分析结果表明,轴线不重合的结构要比轴线重合结构的节流效果好,笼套受冲刷程度也相对较严重。     

高压节流阀流场分析及其结构改进

针对塔里木油田现有节流阀在现场使用过程中频繁出现的阀座刺穿和阀杆断裂等问题 ,对锥形和楔形节流阀 ,用Pro/E软件建立其三维CAD模型 ,通过数据转换 ,调入PhoenicsCFD软件进行流场分析 ,获得了寿命最高的楔形节流阀。通过对楔形节流阀进行结构优化设计 ,得到了最佳结构 (由 2段斜面组成 )的楔形节流阀 ,同时计算出了该楔形节流阀不同开度所对应的压降和流阻系数。油田应用证明 ,楔形节流阀的寿命是锥形阀的 5～ 7倍。     

基于Matlab的控压钻井压力控制建模方法

为了提高控压钻井的控压精度,研究了基于Matlab的控压钻井压力控制建模方法。分析了节流阀的节流控压原理,根据伯努利方程建立了表征节流阀物理特性的方程;利用采集的节流阀节流控压试验数据,通过Matlab软件进行线性回归,得到了可计算节流阀控压的四参数公式;根据试验选用的节流阀开度与当量直径的特性曲线,采用Matlab软件进行拟合,得到了节流阀开度与节流面积的关系方程;根据节流阀开关试验得到的节流阀开度与开关时间数据,利用Matlab软件拟合出了开度与开关时间的关系方程,将上述各方程相结合得到了节流控压的理论模型。利用Matlab软件的半实物仿真插件将模型转化为通用实时代码,并采用模块化建模方法,编制了控压钻井自动控制软件,形成了控压模型。循环模拟系统验证显示,控制系统的响应时间小于10 s,控制精度达到了±0.2 MPa,满足控压钻井精细控压的需求,这证明基于Matlab的控压钻井压力控制建模方法是可行的。      

高压节流阀的失效与受力分析

节流阀是节流压井的关键设备，其性能的好坏直接影响石油天然气勘探开发成96本和质量。在高压油气藏的勘探开发中，多次因节流阀失效而发生井喷失控险情，甚至导致井喷事故。文章分析了现场普遍使用的高压针形节流阀的失效形式主要是冲蚀磨损、阀芯脱落和阀杆断裂等，并在此基础上讨论了这些失效形式产生的原因；以锥形阀为例分析了导致针形节流阀阀芯受轴向液压推力和横向振动原因，得出了阀芯受轴向液压推力计算公式，提出了结构改进和使用方面的建议，具有一定的参考价值。     

高压天然气多孔节流效应及冲蚀特性分析

基于欧拉 拉格朗日多相流模型方法,采用RNG k ε湍流模型和Sutherland viscosity law可压缩流体黏度修正模型及改进的冲蚀模型,对高压天然气单孔和多孔节流过程进行数值模拟。通过高压天然气单孔节流数值模拟质量流率变化规律,与理论计算结果对比,验证了所采用的模型和计算方法的准确性,并考察了高压天然气流经单孔和多孔突缩结构的不同节流效应及冲蚀特性。计算结果表明,天然气流经多孔固定节流油嘴降压后,体积膨胀形成的最高流速值明显低于单孔固定油嘴,同时多孔均匀射流减少了单孔射流形成的卷吸冲蚀损伤,并在多股射流下的搅混作用下,冷核心能迅速混合,在后续油嘴腔体内更易实现压力回升和速度稳定现象,相比单孔节流可以有效地抑制冲蚀损伤及天然气水合物生成几率。     

凝析气田开采后期工艺改造方案的选择

针对气田开采中后期压力逐年递减、不能满足＂节流制冷脱水脱烃工艺＂的节流压差要求而导致外输气水、烃露点不达标的问题,需对原节流制冷工艺进行技术改造。对＂节流阀前增压＋节流制冷＂＂节流阀前增压＋丙烷制冷＂＂节流制冷＋节流阀后增压＂和＂丙烷制冷＋节流阀后增压＂4种改造工艺的流程进行了详细介绍,从工艺可行性、能耗、投资等方面作了对比分析,得出＂节流阀前增压＋丙烷制冷工艺＂优于其他3种改造工艺。并以某凝析气田为例进行模拟计算,由计算结果可知＂节流阀前增压＋丙烷制冷工艺＂可以满足该气田外输气水、烃露点和外输压力的要求。